题目内容

如图所示,一个初速度为零的带正电粒子从M板开始运动,经过MN两平行板间的电场加速后,从N板上的小孔射入长方形区域abcd.当带电粒子到达P点时,长方形区域内出现大小不变、方向垂直于纸面且方向交替变化的匀强磁场,磁感应强度B=0.4 T,每经过t=×10-3 s磁场方向变化一次,粒子到达P点时磁场方向恰指向纸外,在Q处有一个静止的中性粒子,P、Q间距离PQ=3.0 m,直线PQ垂直平分ab、cd.已知c、d相距D=1.5 m,带电粒子的比荷=1.0×104 C/kg,重力不计,求:

(1)如果加速电压U=200 V,带电粒子能否与中性粒子碰撞?

(2)能使带电粒子与中性粒子碰撞,加速电压的最大值是多少.

解:设带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R,周期为T.

(1)T= s=×10-3 s 

T恰好等于磁场变化周期的两倍,从P点起,磁场改变一次方向,粒子恰好运动半个圆周.

由动能定理得:qU=mv2

而R=

故R=m=0.5 m 

PQ=3.0m=6R,为半径的偶数倍,显然带电粒子能与中性粒子相碰. 

(2)相碰条件:PQ=n2R(n为正整数),且R≤D,即2nR=3.0 m,R≤0.75 m

n取最小值,当n=2,取Rmax=0.75 m对应电压最大,由(1)的结论可得Umax=

代入数值可得Umax=450V


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